歷史 物理

發現自然之美:諾貝爾物理獎1947愛德華·維克托·阿普爾頓爵士

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撰文者:爾諾
發文日期:2020-03-20
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    1947年的諾貝爾獎頒給了英國的物理學家愛德華·維克托·阿普爾頓爵士(Sir Edward Victor Appleton 1892 – 1965) 。得獎理由是「對高層大氣的物理學的研究,特別是對所謂阿普爾頓層的發現」。
     

    阿普爾頓爵士出生於約克郡西,他的父親是倉庫管理員。1911年他獲得了劍橋大學聖約翰學院的獎學金,在湯木生與拉塞福指導下學習。第一次世界大戰爆發後,他加入了西部騎兵團,後來轉到皇家工程師。退役後,阿普爾頓於1920年成為卡文迪許實驗室的實驗物理學助理演示者。之後他歷任倫敦國王學院的物理學教授(1924–36年)和劍橋大學的自然哲學教授(1936–39年)。從1939年到1949年,他擔任科學和工業研究部的秘書。他對雷達的發展有很大的貢獻,因此他在1941年受封為爵士。

     

    Appleton
    由 Nobel foundation - http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1947/appleton-bio.html



     

    從1924年開始,阿普爾頓爵士開始研究電波在大氣中的傳播。阿普爾頓觀察到,來自發射機的無線電信號的強度在白天是恆定的,但在夜間卻會產生變化。這讓他相信,實際上是接收到兩個無線電信號。一個沿著地面行駛,另一個被高層大氣中的某一層反射。 接收到的整個無線電信號強度的衰減或變化是由兩個信號的干涉所引起的。
     

    會反射無線電波的大氣層的存在本身並不是一個全新的想法。 巴爾福·斯圖爾特(Balfour Stewart)在19世紀後期提出了這個想法,以解釋地球磁場的節奏變化。 1902年,黑維塞(Oliver Heaviside)和肯乃利(A. E. Kennelly)也提出了這樣的假設來解釋馬可尼在大西洋上成功傳播信號的成功。但是從沒有人能證明電離層真的存在阿普爾頓認為,尋找電離層存在的最佳證據是去研究無線電信號接收日落附近變化的原因。他設計了兩種顯示電離層影響的實驗方法,可以確定反射下邊界的高度(因此確定反射層的下邊界)。 第一種方法稱為調頻(frequency modulation),第二種方法是計算反射信號在接收天線處的到達角度。調頻方法是藉著改變波長來觀察訊號強度的變化,以此決定表面波與反射波的路徑差。用這種方法我們可以估計電離層的高度。 此方法正是阿普頓和他的同事在1924年得出電離層高度的方法。在他們的實驗中,他們使用了伯恩茅斯的BBC廣播電台來改變其發射的波長。他們在牛津安裝了一個接收站距劍橋約62英里(100公里)。這種調頻方法表明,反射波的反射點大約為56英里(90公里)。 但是,它沒有確定波浪是從上方反射的,實際上它們可能來自牛津和伯恩茅斯之間的山丘。 第二種方法涉及確定反射波在接收器處的入射角,可以肯定地表明它們來自上方。從這個角度進行三角剖分可以得到與頻率調製方法兼容的反射高度。
     

    牛津-伯恩茅斯實驗的成功只是個開始,阿普爾頓根據羅倫茲和馬克斯韋的電磁理論發展了磁離子理論,用來模擬這部分大氣的工作原理。他發現所謂的Kennelly-Heaviside層被嚴重電離並因此導電。這就是電離層一詞的由來。他證明自由電子是電離劑所以該層會被高於某個頻率的波穿透,並且該臨界頻率可用於計算該層中的電子密度。但是,這些穿透波也會從更高的一層反射回來。這表明電離層的結構比最初預期的要複雜得多。較低的水平標記為E –層,反射更長的波長,被發現在大約78英里(125公里)處。具有較高電子密度的高能級被標記為F –層,可以反射穿透下層的更短波長。它位於地球表面上方186-248英里(300-400公里)。正是這一層通常被稱為阿普頓層,大多數遠程短波電信都靠它。
     

    阿普爾頓的磁離子理論能解釋日落前後收音機訊號的神秘衰減的起源。白天,即使在相當低的高度,太陽光也會使空氣中的分子離子化。在這些低海拔下,空氣的密度很大,因此電離空氣的電子密度非常大。由於這種嚴重的電離作用,電子會強烈吸收電磁波,不會產生反射,因為在地平面以外的任何波都將被吸收而不是反射。但是夜晚時,分子會慢慢開始與電子重新結合,自由電子密度會下降。這意味著吸收率降低,並且可以以足夠強度的反射波產生干涉。阿普爾頓還發現反射高度隨著日落而增加。這是因為日落時,地球表面的太陽輻射強度要比大氣層中的太陽輻射強度低得多。這意味著離子重組將從較低的高度緩慢發展到較高的高度,因此,隨著日落,反射波的高度會緩慢增加。這解釋了到夜晚無線電訊號會變弱的神祕現象。
     

    對電離層的研究越多,它的複雜性就越高。世界各地陸續建立了電離層觀測站,以提供反射層的全球地圖。由此發現與11年黑子週期和北極光(高緯度地區發生的磁暴)有關。第二次世界大戰期間這些發現變得尤為重要,當時磁暴導致無線電中斷。多虧了阿普爾頓的研究,預測這些事件發生的時間,並且可以將通信切換到受影響最小的波長。這對戰局影響甚大。
     

    雷達是戰時的一項重要發明。而阿普爾頓的研究是雷達得以問世的重要關鍵。他的研究包括確定反射物體與無線電信號發射器的距離。這正是雷達的概念,屏幕上出現的閃爍點(陰極射線管)由循環的“搜索”欄掃描。該系統正是由阿普爾頓開發,原先是作為一種稱為脈衝法的測量電離層新方法。後來由羅伯特·沃森·瓦特(Robert Watson-Watt)進行了改裝,用來偵測飛機。如今,電離層數據在考慮與衛星的通信時也很重要。必須為這些信號選擇正確的頻率,否則在訊號達到衛星之前會被反射或偏離,而無法通訊。
     

    從1949年開始阿普爾頓一直是愛丁堡大學的校長,他擔任此職直到1965年,他過世為止。1974年,英國國家無線電和太空研究站改名為阿普頓實驗室,以紀念他的貢獻。

     

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